Bisio e Kabel (1985) definem a extrapolação de escala (scale-up) como um processo ou grupo de atividades que se operacionaliza desde o cálculo, o estudo até as demonstrações para uma bem sucedida operação industrial. O scale-up é inerente a toda atividade industrial.
A extrapolação de escala inclui muitas faces da atividade industrial. Neste sentido ela inclui várias atividades como marketing, projeto de produto, teste de produto, projeto de planta e construção de planta. Os autores revelam que, quando um novo processo químico ou uma mudança em alguma parte do processo se desloca do laboratório para uma operação de manufatura comercial, problemas não esperados são encontrados. O problema pode ser de natureza física, química ou envolvendo algum dos aspectos de ambos.
A bem sucedida partida e operação de uma unidade em tamanho comercial para quem opera e projeta é, em parte, decorrente de experiências e testes para uma menor
unidade comercial e o melhor desempenho da unidade em menor escala em que os dados são obtidos, conforme Equação (18),
piloto unidade em produção de taxa comercial produção de taxa up scale de Razão (18)
A Tabela 3.3 apresenta os valores normalmente encontrados quando se realiza o scale-up de equipamentos de laboratório para unidades de plantas piloto, da ordem de 100 a 500.
Tabela 3.3 – Valores da razão de scale-up.
Escala de operação(kg/h) Razão de scale-up Sistema Laboratório Planta piloto Laboratório para
planta piloto para comercial Planta piloto Reagentes líquidos e
gasosos, produtos líquidos não viscosos
0,01 a 0,20 1 a 30 100 a 500 100 a 500
Fonte: Bisio e Kabel, 1985.
Peters & Timmerhaus (1991) enfatizam que o desenvolvimento de um projeto de processos envolve diferentes passos.
O primeiro passo deve ser a concepção da idéia básica. A próxima etapa é a fase de pesquisa-processo, experimentos em escala de laboratório e produção de análises amostrais do produto final. Quando as variáveis do processo são estabilizadas, o projeto é enviado para a fase de desenvolvimento. Nesta fase, uma planta-piloto ou uma planta de desenvolvimento comercial deve ser construída. Uma planta-piloto é uma réplica em escala menor de uma planta comercial em escala total, onde uma planta de desenvolvimento comercial é usualmente feita de excedente de partes de equipamentos que estão disponíveis.
tamanho ou capacidade do equipamento e a máxima razão de extrapolação de escala para estas variáveis.
Tabela 3.4. Fatores para extrapolação de escala e projeto.
Fonte: Bisio e Kabel, 1985.
3.5.1. Extrapolação de escala de misturadores
A extrapolação permite reproduzir em escala industrial os resultados obtidos sobre uma operação física ou química efetuada na escala de laboratório ou piloto.
Bertrand (1992) afirma que, quando as relações entre um ou mais parâmetros são as mesmas para as duas escalas diferentes (escala de laboratório e escala industrial), tem-se o princípio da similaridade. São cinco os principais tipos de similaridade: geométrica, cinemática, dinâmica, química e térmica.
A similaridade geométrica determina que as relações entre as dimensões geométricas sejam as mesmas para as duas escalas, a escala piloto e a industrial. A similaridade geométrica é condição imperativa para os outros tipos de similaridade.
Tipo do
equipamento Variáveis mais importantes para o projeto operacional. Variáveis importantes caracterizando tamanho ou capacidade Máxima razão de extrapolação baseada na indicação da variável característica Fator de segurança aproximado (%) Misturadores Mecanismo de operação; Geometria do sistema Taxa de fluxo; Entrada de energia >100:1 20:1 20 Separadores Velocidade de sedimentação Volume; Tempo de residência > 100:1 15 Coluna
O autor enfatiza que os pontos geometricamente importantes são os seguintes: a) A geometria do impelidor do agitador;
b) A dimensão relativa entre o diâmetro do impelidor e o do reator (d/D = constante); c) A forma do reator e a relação entre sua altura e seu diâmetro (H/D = constante); d) Os acessórios internos do reator (defletores, serpentinas);
e) A posição do impelidor em relação à base do reator (Ha/D = constante).
No início da extrapolação deve-se eleger uma propriedade invariante, sendo recomendado para a similaridade geométrica que se opte por uma das seguintes propriedades: número de Reynolds, número de Froude, número de Weber, velocidade periférica (Vp) ou razão da potência por unidade de volume (P/V).
3.5.2. A Natureza do projeto
Coulson e Richardson (1989) definem o projeto como uma atividade criativa. Ele representa a síntese, a reunião de idéias para atingir um objetivo desejado. O projetista irá criar um projeto para um artigo, ou um processo. No projeto de um processo químico existe a necessidade pública do produto, a oportunidade comercial. Alguns aspectos devem ser levados em consideração. Os autores citam alguns deles:
a) Para conceber um projeto deve-se reunir todos os fatores relevantes e os dados necessários a sua consecução. Estes dados incluirão informações sobre os processos possíveis, sobre o desempenho do equipamento e valores das propriedades físicas; b) Conhecimento das normas nacionais que constituem fontes de métodos e dados de
projeto ao mesmo tempo em que atuam como limitações ao mesmo;
c) Os condicionantes do projeto, especialmente os de origem externa que devem ser identificados na fase inicial do processo;
O projeto de engenharia pode dividir-se em três grupos, conforme o grau de novidade em causa:
b) Nova capacidade de produção, repetindo projetos antigos, somente com pequenas modificações de projeto;
c) Processos novos, desenvolvidos a partir de investigação laboratorial, passando por
instalação piloto até o processo industrial: neste caso, a estratégia é dividida em duas
etapas. 1) a primeira etapa de um novo projeto será esboçar um diagrama de blocos grosseiro, que represente as principais etapas no processo e registrar a função principal (objetivo) e os principais problemas de cada etapa. 2) depois, a experiência deve indicar quais os tipos de operações unitárias e de equipamentos devem ser considerados.
3.5.3. Códigos, Normas e Fatores de Segurança.
Segundo Coulson e Richardson (1989) as normas abrangem: a) Materiais, propriedades e composições;
b) Método de ensaio do funcionamento, das composições e da qualidade; c) Tamanhos recomendados, por exemplo, tubos, placas e perfis;
d) Métodos de projeto, inspeção e fabricação;
e) Normas práticas para funcionamento e segurança da instalação;
Carvalho (1998) relata que as normas e códigos de projeto foram estabelecidos não só com a finalidade de padronizar e simplificar o cálculo e projeto dos vasos de pressão, mas principalmente para garantir condições mínimas de segurança para a sua operação. A prática tem comprovado que a observância dessas normas torna muito baixa a probabilidade de ocorrência de acidentes graves.
Um código ou norma de projeto representa um conjunto coerente de premissas que são características do documento, relacionando critérios de cálculo, coeficientes de segurança, padronização e especificação de materiais, detalhes de fabricação e inspeção, extensão mínima dos exames não destrutivos e critérios de aceitação a serem adotados para os materiais e juntas soldadas. Estes itens não devem ser desvinculados, ou seja, devem ser
O código brasileiro foi elaborado pela Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT). A norma relacionada com vasos de pressão é a NB-109.
3.5.4. Materiais de Construção
Carvalho (1998) define como “Vaso de Pressão” todos os reservatórios, de qualquer tipo, dimensões ou finalidades, não sujeitos a chama, que contenham qualquer fluido, projetado para resistir com segurança uma pressão interna superior a 1,0 kgf/cm2 ou inferior à pressão atmosférica, ou submetidos à pressão externa.
Em refinarias de petróleo, indústrias químicas e petroquímicas os vasos de pressão constituem um conjunto importante de equipamentos que abrangem os mais variados usos.
A construção de um vaso de pressão envolve uma série de cuidados especiais relacionados com o seu projeto, fabricação, montagem, inspeção e testes. As falhas de operação em um vaso de pressão podem provocar além da perda de produto e parada do processo, a perda de vidas humanas. Assim sendo o vaso de pressão é considerado um equipamento de grande risco.